TorkBuster扭力冲击器＋PDC钻头泥包问题分析及对策

耿云鹏 （中石化西北油田分公司工程技术研究院，新疆 乌鲁木齐830011）

李丹丹 （中石化西北油田分公司塔河采油一厂，新疆 轮台841600）

樊艳芳 （中石化西北油田分公司工程技术研究院，新疆 乌鲁木齐830011）

TorkBuster扭力冲击器可极大提高PDC钻头破岩效率，元坝及玉门油田实钻情况表明［1，2］，Tork-Buster扭力冲击器与PDC钻头配合使用后，同邻井相比，机械钻速提高100%～130%，同时延长了PDC钻头及其他钻具寿命。

为加快勘探开发步伐，缩短建井周期，截至2012年6月，西北油田分公司在TH12153井、TP234X井、玉北1-3H井、玉北9井及玉北6A井开展了TorkBuster扭力冲击器现场试验，该工具在砂岩地层提速效果明显，但是使用中发现TorkBuster扭力冲击器＋PDC钻头组合易在砂泥岩互层段发生泥包。分析了泥包产生的原因，并从钻井液、钻井参数及PDC钻头3个方面提出了可能的解决方案。

1 TorkBuster扭力冲击器工作原理

1.1 黏－滑现象

旋转钻进中，地面动力装置以恒定速度驱动钻柱旋转，钻头在一定钻压下与地层接触，如果剪切力不足以破坏岩石，钻头暂时停顿；而转盘在不停旋转，扭矩的能量就积蓄在钻柱上，钻柱处于扭曲状态，当产生的剪切力足以破坏地层岩石时，钻柱上的扭力应力突然释放造成钻头转速突然增加。试验表明［3］，钻头再次转动 （slip）阶段的转速可达到地面转速的2～3倍。这样钻头附近的转速就会围绕地面转速产生周期性摆动。摆动幅度取决于地面动力系统，岩石／钻头间作用力及钻柱与井壁摩擦有关。这种现象称为 “黏－滑”。黏－滑效应会缩短钻头、尤其是PDC钻头的寿命。

图1 TorkBuster扭力冲击器工作原理

1.2 提速机理

TorkBuster扭力冲击器结构如图1所示，泥浆从上接头经过泥浆流量分配器流进冲击器，并二次分配到管状接头内。来源于泥浆的能量驱动内部动力锤产生冲击，冲击频次与液体流速有关。这些机械冲击能量由驱动短节内的驱动轴集中均匀地传送到钻头上。

TorkBubster扭力冲击器传递给钻头的扭向冲击力改变了钻头的运动状态，使得钻头均匀稳定旋动。这样就消除或降低了 “黏－滑”效应的不利影响，延长了钻头及钻井的使用时间。同时，TorkBuster扭力冲击器产生的高频扭向冲击，使钻头转速增加，对于以剪切破岩为主的PDC钻头，机械钻速提高明显。

2 TorkBuster扭力冲击器在塔河油田及玉北地区应用情况

2.1 塔河主体区块

2011年1月25日至2月9日在TP234X井进行了试验。

试验井段5178．36～6167．84m，三开井眼Ø216mm，入井次数3次。TP234X井与邻井 （TP220X、TP225X井）同地层钻速对比情况见表1，可见钻速得到了明显的提高。

表1 TP234X井与邻井 （TP220X井、TP225X井）机械钻速对比情况

2.2 玉北区块

塔里木盆地麦盖提斜坡玉北地区位于新疆维吾尔自治区和田地区墨玉县境内，构造位置处于塔里木盆地麦盖提斜坡东段。区块北侧是玛扎塔格构造带，南侧为塔西南坳陷的叶城坳陷，东与塘北构造带相邻。2010年，玉北1井获得工业油流，展示了该区良好的勘探前景。

前期实钻资料表明，玉北区块二叠系沙井子组上部地层比较均质，可钻性较好，下部地层软硬交错现象频繁，可钻性较差，平均机械钻速2．5m／h。为进一步提高玉北区块的钻井效率，在玉北9井、玉北1-3井、玉北6A井开展了TorkBuster扭力冲击器＋PDC钻头现场试验，应用效果见表2。可以看出使用TorkBuster扭力冲击器后，机械钻速有不同程度的提高，应用效果最好的是在玉北6A井，机械钻速最高可提高259．6%。

表2 玉北区块3口试验井机械钻速统计

3 TorkBuster扭力冲击器＋PDC钻头泥包问题

3.1 存在问题

虽然TorkBuster扭力冲击器＋PDC钻头现场试压取得较好的效果，但是在使用过程中多井次发生钻头泥包，泥包钻头出井情况见图2～4。

图2 TP234X井第1趟钻钻头出井情况

图3 TP234X井第2趟钻钻头出井情况

图4 玉北9井及玉北6A井钻头出井情况

由图2可以看出，TP234X井第1趟钻起出钻头2个流道泥包，钻头靠近中心部位复合片底座冲蚀严重。这主要是由于钻头泥包造成钻头水力分配不均，有些复合片底座由于无泥浆流过冷却或者由于泥浆冲蚀过量，造成复合片冲蚀严重。由图3可以看出，TP234X井第2趟钻起出钻头后发现该钻头中心部位磨凹，下强磁和打捞杯均未捞出东西，井下干净。钻头被损害的原因可能是由于钻头发生泥包后，钻头中心部位复合片被冲蚀严重，造成复合片在钻进过程中剥落，并和钻头本体研磨，使得钻头中心被磨凹。

玉北地区2口试验井钻头出井情况如图4所示，玉北9井第1趟钻，1、2号水眼堵塞；第2趟钻1、3号水眼堵塞。玉北6A井一个流道被泥包。

钻头泥包在TorkBuster扭力冲击器使用过程中具有一定普遍性，它影响TorkBuster扭力冲击器提速效果。如TP234X井第一次入井钻进62．34m，就被迫起钻，增加了一趟起下钻。因此，如果解决了泥包问题，将使TorkBuster扭力冲击器发挥更好的提速效果。

3.2 泥包原因分析

根据分析，TorkBuster扭力冲击器易造成钻头泥包的原因主要有：

1）几口试验井产生泥包的地层均为砂泥岩互层段。在砂岩井段，使用TorkBuster扭力冲击器后，机械钻速升高，产生钻屑量增多，同时TorkBuester工具将一部分泥浆动能转化为扭向上的机械冲击能量，并传给钻头，使钻头水马力降低，两方面因素叠加使得钻屑在井底堆积量大于未使用TorkBuster扭力冲击器情况。进入泥岩地层后，钻速变慢，砂岩段产生的未及时清除的钻屑会磨损钻头顶部，可能堵塞钻头水眼，增大发生钻头泥包的几率。

2）钻井液抑制性较差，泥岩段钻屑水化分散易成细小的颗粒，这些颗粒难以被地面固控设备清除，使得泥浆中无用固相体积分数增加，钻井液黏度上升，使得易造成钻头泥包。岩屑不易排出，常包裹在钻头表面，形成泥包钻头。

3）钻头表面润湿性一般为亲水性，在水性环境中，易吸附同样是亲水性的泥岩钻屑。

4）钻头表面经摩擦后带正电荷，泥岩钻屑水化膨胀后表面带负电荷，在静电力的作用下泥岩钻屑极易附着在钻头表面。

4 泥包问题对策

4.1 钻井液体系优选

实践及理论研究均表明，抑制钻屑水化分散，用聚合物包被钻屑，使钻屑处于较大尺寸，易被固控设备清除，这是防止钻头泥包的最有利武器。根据塔河油田实钻及资料调研，推荐几种抑制性能较好的钻井液。

1）阳离子悬乳液聚磺 （或KCl阳离子乳液聚磺）体系 大分子量季铵盐阳离子聚合物 （DS301）作为包被絮凝剂，小分子量有机季铵盐阳离子（DS302）作为页岩抑制剂，使用纳米级乳化石蜡改变钻井液连续相，同时起润滑封堵作用。该体系主要处理剂配方为4%～5%KCl＋0．2%～0．3%DS-301＋2%～3%DS-302 （配方中百分数为质量分数）。该体系在玉北5井使用，根据录井资料，5600～5657m地层岩性主要为棕褐色泥岩、粉砂质泥岩与灰色泥质粉砂岩不等厚互层。由图5可以看出，钻屑基本保持被PDC钻头切削的原貌，表明该体系具有良好的抑制泥岩水化分散能力。

图5 玉北5井5600～5604m返出钻屑

2）高性能水基钻井液 主要由页岩强抑制剂、包被剂、清洁润滑剂和降滤失剂等组成，其实质是应用了一种新的胺基聚合物。该胺盐有良好的抑制能力和防泥包能力。现场应用效果表明［4，5］，高性能水基钻井液提高了机械钻速，实现了低的稀释率和较高的固相清除效率，摩擦因数与油基钻井液基本相当，最大程度地减少了钻头泥包和聚结现象，节省钻井、完井时间，提高了泥页岩地层井壁稳定性。

3）油基钻井液 钻头在油基泥浆中基本不会发生泥包，油基泥浆防泥包机理为在油基泥浆中，钻头表面可形成一层油膜，由于接触不到水，钻屑基本不会分散；由于不能发生水化膨胀反应，钻屑表面也不带电荷，这些因素大大减弱了钻屑在钻头表面的附着力，因此油基泥浆防泥包效果最好［6］。但成本高，会对环境造成污染。

4.2 钻井参数强化

1）提高钻井液排量 由于TorkBuster扭力冲击器能极大提高机械钻速，产生的钻屑相对较多，提高排量能将井底钻屑及时带出，避免钻屑在井底堆积，堵塞水眼或者泥包钻头。但是提高排量受到地面循环系统承压能力的限制。试验井的排量在24～29L／s，泵压在20～23MPa，提高排量的余地不大。

2）减小钻压，提高转速 在软泥岩地层，加大钻压易形成泥包。应适当减小钻压，提高转速，以减少发生泥包的可能。现场施工泥岩段钻压60～80kN，转速60～75r／min，比较适合。

3）钻时变慢，增大排量，提高转速 钻进中，如果钻时变慢，就要考虑是否发生了泥包，可将PDC钻头上提1～2m，增大排量，提高转速，将附着在钻头上的钻屑甩掉。

4.3 改进钻头

1）改进PDC钻头水力结构 优化PDC钻头的井底流场和水力结构是控制泥包生成和发展的有效手段，国内外许多学者采用数值模拟和试验的方法针对喷嘴形状、安装位置、钻头流道形状等因素，进行了大量的研究，侯成［7］建立了带有侧向射流喷嘴的PDC钻头井底结构的物理模型，为PDC钻头水力结构的优化提供了新思路。现场应用中，玉北6A井使用的MD1646（4刀翼）钻头防泥包效果优于玉北9井使用的MT1657（5刀翼）钻头。

2）改变钻头表面性质 改变钻头表面性质主要通过改变润湿性及电性，减弱钻屑与钻头表面的作用力，使得钻屑不易黏附在钻头上。较为典型的方法是表面渗氮 （使得钻头表面带负电）和涂覆改进Teflon涂层 （主要成分为聚四氟乙烯）［8］。另外，加入泥岩清洁剂后可在钻头和钻具表面形成一层油膜，使钻头表面润湿性变为亲油性，这样钻屑就不易在表面黏附，进而起到防泥包作用。玉北6A井在使用TorkBuster扭力冲击器＋PDC钻头钻进钻至4425、4613、4787m井深时，钻时变慢，均使用浸泡泥岩清洁剂的方法，钻速得以恢复，一直钻进至4856m。比玉北9井及玉北1-3H井节约了一趟起下钻时间，在玉北地区3口井中，玉北6A井提速效果最佳。

5 结论及建议

1）TorkBuster扭力冲击器在砂岩井段提速效果较好，但在砂泥岩互层段易发生泥包，影响了总体提速效果。

2）从钻井液、钻井工程参数及PDC钻头3个方面考虑防泥包对策，如玉北区块今后使用Tork－Buster扭力冲击器时，PDC钻头选用4刀翼，钻井液可选择KCl－阳离子乳液聚磺体系，钻压60～80kN，转速60～75r／min，排量24～29L／s（泵压允许的情况下，越大越好）。

［1］周祥林，张金成，张东清 ．TorkBuster扭力冲击器在元坝地区的试验应用 ［J］．钻采工艺，2009，35（2）：15～16．

［2］吕晓平，李国兴，王震宇，等 ．扭力冲击器在鸭深1井志留系地层的试验应用 ［J］．石油钻采工艺，2012，34（2）：99～100．

［3］Robnett E W，Hood J A，Heisig G，et al．Analysis of the stick／slip phenomenon using down hole-drill string-rotation data ［J］．SPE 52821，1999．

［4］王建华，鄢捷年，丁彤伟 ．高性能水基钻井液研究进展 ［J］．钻井液与完井液，2007，24（1）：71～75．

［5］王治法，刘贵传，刘金华，等 ．国外高性能水基钻井液研究最新进展 ［J］．钻井液与完井液，2009，26（5）：71～72．

［6］鄢捷年 ．钻井液工艺学 ［M］．东营：石油大学出版社，2003．

［7］侯成，李根生，黄中伟，等 ．定向喷嘴PDC钻头井底流场特性研究 ［J］．石油钻采工艺，2010，32（2）：15～17．

［8］Zijsling D H，Nederlandse A M，Iiierhaus R．PDC钻头 drill bit design concept eliminates balling in water-base drilling fluids ［J］．SPE21933，1991．